يشرح Attoscience الطريق إلى الموصلية الفائقة

لقد أدى التقدم في التحليل الطيفي للأشعة السينية الناعمة للأتو ثانية من قبل الباحثين في ICFO إلى تحويل تحليل المواد، لا سيما في دراسة تفاعلات المادة الخفيفة وديناميكيات العديد من الأجسام، مع آثار واعدة على التطبيقات التكنولوجية المستقبلية.

التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية هو تقنية انتقائية للعناصر واستشعار الحالة الإلكترونية وهي واحدة من أكثر التقنيات التحليلية استخدامًا لدراسة المواد أو مخاليط المواد. حتى وقت قريب، كانت هذه الطريقة تتطلب مسحًا مرهقًا للطول الموجي ولم توفر دقة زمنية فائقة السرعة لدراسة الديناميكيات الإلكترونية.

في العقد الماضي، قامت مجموعة Attoscience والبصريات فائقة السرعة في ICFO بقيادة البروفيسور Jens Biegert من ICREA بتطوير التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية الناعمة بالأتوثانية كأداة تحليلية جديدة دون الحاجة إلى المسح والأتوثانية الزمنية. دقة.^[1,2]

اختراق في التحليل الطيفي للأشعة السينية الناعمة بالأتوثانية

نبضات الأشعة السينية الناعمة من الأتو ثانية من 23 إلى 165 ومن 120 إلى 600 فولت عرض النطاق الترددي للأشعة السينية الناعمة المتوافقة^[3] السماح بالتحقيق المتزامن للبنية الإلكترونية الكاملة للكائن.

إن الجمع بين دقة الوقت لاكتشاف الحركة الإلكترونية في الوقت الفعلي وعرض النطاق الترددي المتماسك لتسجيل موقع الانتقال يوفر أداة جديدة تمامًا وقوية لفيزياء وكيمياء الحالة الصلبة.

يؤدي تعريض الجرافيت لنبضة ليزر متوسطة الأشعة تحت الحمراء شديدة القصر إلى ظهور مرحلة هجينة من مادة خفيفة موصلة للغاية، حيث تقترن الإلكترونات المثارة بصريًا بقوة بالفونونات الضوئية المتماسكة. إن مثل هذه الملاحظات القوية لحالة العديد من الأجسام والتي يتم توجيهها بصريًا ممكنة من خلال دراسة عمر الحالات الإلكترونية المثارة باستخدام نبضة من الأشعة السينية الناعمة بالأتوثانية. الائتمان: ©ICFO

إحدى العمليات الأكثر أهمية هي تفاعل الضوء مع المادة، على سبيل المثال فهم كيفية حصاد الطاقة الشمسية في النباتات أو كيف تقوم الخلية الشمسية بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء.

أحد الجوانب الأساسية لعلم المواد هو إمكانية تغيير الحالة الكمومية أو الوظيفة لجسم أو مادة بالضوء. تتناول مثل هذه الأبحاث حول ديناميكيات الأجسام المتعددة للمواد التحديات الرئيسية في الفيزياء المعاصرة، مثل أي الكم هو الذي يحرك انتقال الطور، أو كيف تنشأ خصائص المواد من التفاعلات المجهرية.

دراسة حديثة أجراها باحثون من ICFO

دراسة حديثة نشرت في المجلة التواصل الطبيعياكتشف باحثو ICFO ثيميس سيديروبولوس، ونيكولا دي بالو، وآدم سمرز، وستيفانو سيفيرينو، وماوريتسيو ريدوزي، وجينز بيجرت تعزيزًا مستحثًا بالضوء والتحكم في الموصلية من خلال التلاعب بحالة موصلية الجرافيت للعديد من الأجسام.

تقنيات القياس المبتكرة

استخدم الباحثون نبضات ضوئية ذات دورة فرعية مستقرة في الطور الحامل والمغلف عند 1850 نانومتر للحث على الحالة الهجينة للمادة الضوئية. لقد درسوا الديناميكيات الإلكترونية باستخدام نبضات الأشعة السينية الناعمة بالأتو ثانية عند 165 عند حافة الكربون K للجرافيت عند 285 فولت. قام قياس امتصاص الأشعة السينية الناعمة من الأتوسيكوند بفحص البنية الإلكترونية الكاملة للمادة عند خطوات تأخير مسبار مضخة فجوة الأتوسيكوند. أحدثت مضخة عند 1850 نانومتر حالة موصلية عالية في المادة، وذلك بسبب تفاعل المادة الخفيفة فقط؛ ولذلك يطلق عليه مركب المادة الخفيفة.

يهتم الباحثون بمثل هذه الظروف لأنه من المتوقع أن تؤدي إلى خصائص كمومية غير متوازنة للمواد، ويمكن تبديل هذه الحالات الكمومية بشكل أساسي بسرعات بصرية تصل إلى عدة تيراهيرتز.

ومع ذلك، غالبًا ما يكون من غير الواضح كيف تظهر الحالات داخل الأشياء بالضبط. ولذلك، فإن التقارير الأخيرة عن الموصلية الفائقة الناجمة عن الضوء والمراحل الطوبولوجية الأخرى كانت تخمينية إلى حد كبير. لأول مرة، استخدم باحثو ICFO نبضات الأتوثانية من الأشعة السينية الناعمة “لرؤية المادة الداخلية” أثناء ظهور مرحلة المادة الخفيفة.

يشير المؤلف الأول للدراسة، ثيميس سيديروبولوس، إلى أن “المسبار المتماسك، مع دقة وقت الأتوثانية وتزامن الأتوثانية بين المضخة والمسبار، هو جديد تمامًا ومطلب أساسي لمثل هذه التحقيقات الجديدة المدفوعة بعلم الأتوثانية.”

ديناميات الإلكترون في الجرافيت

على عكس تويستترونيكس وطبقة ثنائية ملتوية الجرافينبينما يتلاعب المجربون بالعينات فعليًا لمراقبة التغيرات في الخصائص الإلكترونية، يشرح سيديروبولوس: “بدلاً من التلاعب بالعينة، نقوم بإثارة المادة بصريًا بنبضة ضوئية قوية، وبالتالي تحفيز الإلكترونات إلى مستويات طاقة أعلى ومراقبة كيفية استرخائها داخل المادة. ، ليس فقط بشكل فردي، ولكن كنظام ككل، والذي ينظر في التفاعلات بين حاملات الشحنة هذه والشبكة.

لمعرفة كيفية استرخاء الإلكترونات في الجرافيت بعد تطبيق نبضة قوية من الضوء، أخذوا طيفًا واسعًا من الأشعة السينية ولاحظوا، أولاً، كيف يسترخي كل مستوى من مستويات الطاقة على حدة، وثانيًا، كيف تم إثارة نظام الإلكترون بأكمله. لاحظ تفاعلات العديد من الأجسام بين الضوء والحاملات والنوى عند مستويات طاقة مختلفة. ومن خلال مراقبة هذا النظام، تشير مستويات الطاقة لجميع حاملات الشحنة إلى أن الموصلية الضوئية للمادة تزداد في مرحلة ما، مما يظهر توقيعات أو تذكيرات بمرحلة الموصلية الفائقة.

مراقبة الفونونات متماسكة

كيف يمكنهم رؤية هذا؟ حسنًا، في الواقع، في منشور سابق، لاحظوا السلوك المتماسك (وليس غير المتماسك) للفونونات، أو الإثارة الجماعية، للذرات داخل المادة الصلبة. نظرًا لأن الجرافيت يحتوي على مجموعة قوية جدًا (عالية الطاقة) من الفونونات، فيمكنها نقل كميات كبيرة من الطاقة بشكل فعال خارج البلورة دون الإضرار بالمادة من خلال الاهتزازات الميكانيكية للشبكة. وبينما تتحرك هذه الفونونات المتماسكة ذهابًا وإيابًا مثل الموجة، يبدو أن الإلكترونات الموجودة داخل المادة الصلبة تركب الموجة، مما يخلق بصمات الموصلية الفائقة الاصطناعية التي لاحظها الفريق.

التداعيات والآفاق المستقبلية

تظهر نتائج هذه الدراسة تطبيقات واعدة في مجال الدوائر المتكاملة الضوئية أو الحوسبة الضوئية، وذلك باستخدام الضوء للتعامل مع الإلكترونات أو التحكم في خصائص المواد بالضوء. ويخلص ينس بيجرت إلى أن “ديناميكيات الأجسام المتعددة هي في قلب المشاكل الأكثر تحديًا في الفيزياء المعاصرة، وهي واحدة من أكثر المشاكل صعوبة في الفيزياء المعاصرة. النتائج التي حصلنا عليها هنا تفتح عالمًا جديدًا من الفيزياء، وتوفر طرقًا جديدة لاستكشاف ومعالجة المراحل المترابطة المادة في الوقت الحقيقي، وهو أمر بالغ الأهمية للتكنولوجيات الحديثة.

المرجع: TPH Sidiropoulos، N. Di Palo، DE Rivas، A. Summers، S. Severino، M. Reduzzi and J. Biegert “الموصلية البصرية المحسنة وتأثيرات الجسم المتعددة في الجرافيت شبه المعدني المحفز بقوة بالصور”، 16 نوفمبر 2023، التواصل الطبيعي.
دوى: 10.1038/s41467-023-43191-5

ملحوظات

1. “مصدر أشعة سينية ناعم عالي التدفق على سطح الطاولة مدفوع بدورة فرعية، نبضات CEP مستقرة، 1.85 ميكرومتر 1 كيلو هرتز للتحليل الطيفي للكربون K-edge” بقلم F. Silva، S. Teichmann، M. هيمر، إس إل كوزين، ج. بيجرت و ب. بودز، 14 سبتمبر 2014، الحروف الضوئية.
   دوى:10.1364/OL.39.005383
2. إيكر ليون، ثيميستوكليس بي إتش سيدروبولوس، إيرينا باي، دوش مونشيرام، أنطونيو بيكون، ينس بيجرت، نيكولا ديكميد، نيكولا ديكميد، نيكولا ديشميد، نيكولا ديشميد، نيكولا ديشميد، نيكولا ديكميد، نيكولا ديكميد، نيكولا ديكميد، نيكولا ديكميد. باربارا بوديس وفرانك كوبينز، 19 مايو 2018، اوبتيكا.
   دوى:10.1364/OPTICA.5.000502
3. “خطوط الأتوسيكوند في نافذة الماء: نظام جديد لتوصيف نبض الأتوسيكوند” سيث إل. ابن العم، نيكولا دي باولو، باربرا بوتس، ستيفن م. تيتشمان، M. ريدوزي، M. ديفيتا، أ. كيفيتس، G. سانسون وجينز بيجرت، 2 نوفمبر 2017، الفحص البدني X.
   دوى: 10.1103/PhysRevX.7.041030